Strahlungsdosimeter
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Strahlungsdosimeter, d. h. eine Einrichtung zum Messen der Dosis von Strahlen, wie z. B. Gammastrahlen oder Röntgenstrahlen, unter der Verwendung von thermolumineszenten Materialien.
Thermolumineszente Materialien besitzen die Eigenschaft, beim Auftreffen von ionisierenden Strahlen, wie z. B. Gammastrahlen, Energie durch Elektroneneinfang zu speichern. Zu einem späteren Zeitpunkt werden die Elektronen, z. B. bei Erwärmung des Materials, wieder freigegeben, wobei Lumineszenz Erscheinungen auftreten. Die Zahl der eingefangenen Elektronen ist proportional zu der Intensität der ionisierenden Strahlung, so dass das Licht, welches während der nachfolgenden Erwärmung abgestrahlt wird, als Mass für die Strahlungsdosis verwendet werden kann.
Es wurde bereits früher vorgeschlagen, thermolumineszente Materialien in der Dosimetrie, z. B. in den Warndosimetern, zur Überprüfung der Dosis, welcher z. B. das unter Einwirkung von Gammastrahlen arbeitende Personal ausgesetzt ist, zu verwenden.
Die thermolumineszenten Materialien wurden jedoch für diesen Zweck wegen der erheblichen praktischen Nachteile nur vereinzelt verwendet. Bei den bisherigen Konstruktionen von Dosimetern der genannten Art war eine dünne Schicht von thermolumineszentem Material auf einer Trägerplatte befestigt. Das der Strahlung exponierte Dosimeter wurde zur Erzeugung des Lumineszenzglimmens in einen heissen Ofen gegeben und hier über die Glimmspitzentemperatur des thermolumineszenten Materials erhitzt.
Bei anderen Konstruktionen befindet sich das thermolumineszente Material in Puderform in den Öffnungen eines Drahtgitters bzw. Drahtgewebes, welches nach der Exposition zur Erzeugung des Lumineszenzglimmens elektrisch erwärmt wird.
Schliesslich ist auch eine Konstruktion bekanntgeworden, bei welcher das thermolumineszente Material an einer kleinen Metallplatte mittels eines Bindestoffes befestigt ist, wobei die Anordnung nach der Exposition dadurch zum Glimmen gebracht wird, dass die Platte durch einen durch sie hindurchgehenden elektrischen Strom auf Grund ihres elektrischen Widerstandes erwärmt wird.
Ein wesentlicher Nachteil des Ausglimmens des exponierten Dosimeters in einem Ofen besteht darin, dass der Ofen kontinuierlich auf einer vergleichsweise hohen Temperatur gehalten werden muss. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass sich das Dosimeter vergleichsweise langsam auf die erforderliche Glimmtemperatur erwärmt.
Eine schnelle Erwärmung ist jedoch deswegen anzustreben, damit ein helles Glimmen auftritt, welches die Bestimmung der Dosis erleichtert. Die Erwärmungsgeschwindigkeit kann selbstverständlich dadurch erhöht werden, dass der Ofen auf wesentlich höheren Temperaturen gehalten wird, als dies tatsächlich erforderlich ist; hierdurch treten jedoch die oben erwähnten Nachteile vermehrt in Erscheinung.
Ein weiterer Nachteil der Erwärmung der Dosimeter in einem Ofen besteht darin, dass innerhalb des Ofens Mittel vorgesehen werden müssen, um das auftretende Lumineszenzlicht zu sammeln und sichtbar zu machen bzw. zu messen.
Bei Dosimetern, bei denen thermolumineszenter Puder in den Öffnungen eines Metallgewebes angeordnet ist, ist es ausserordentlich schwierig, die tatsächliche Strahlenbelastung des Puders festzustellen.
Weiterhin sind diese Anordnungen sehr empfindlich gegen mechanische Erschütterungen, Stösse und Vibrationen. Die Dosimeterkonstruktionen, bei denen das strahlungssensitive Material auf einer Metallplatte befestigt ist, weisen die gleichen Nachteile auf wie die Dosimeter, bei denen ein Drahtgewebe als Trägerelement vorgesehen ist. Dosimeter dieser Art weisen als weiteren Nachteil keine Schutzhülle auf, d. h. sind der Luft ausgesetzt und können daher leicht verschmutzt werden, abgesehen davon, dass sie mechanisch während des Tragens und Ablesens leicht zerstört werden können.
Es ist nun der Zweck der vorliegenden Erfindung, ein Dosimeter unter Verwendung von thermolumenszentem Material zur Ermittlung der Dosis von ionisierenden Strahlen zu schaffen, wie z. B. Gammaund Röntgenstrahlen, welches Dosimeter auch als Schutzdosimeter in der Tasche getragen werden kann und in welchem das thermolumineszente Material gegen äussere Einflüsse während des Betriebes sowie vorzugsweise gegen mechanische Erschütterungen und Vibrationen unanfällig ist.
Es ist ein weiterer Zweck der vorliegenden Erfindung, ein Dosimeter der genannten Art zu schaffen, welches nur geringe Kosten verursacht und in Massenproduktion, vorzugsweise unter Verwendung des Maschinenparks hergestellt werden kann, der heute zur Herstellung von elektrischen Lampen und Röhren dient.
Das Strahlungsdosimeter gemäss der vorliegenden Erfindung ist gekennzeichnet durch eine hermetisch abgeschlossene Hülle mit einer inerten Atmosphäre, wobei sich in der Hülle ein thermolumineszentes Material befindet, welches Strahlungsenergie bei Temperaturen zwischen 20 und 100" C speichern kann, und wobei die Hülle mindestens teilweise transparent ist, so dass das bei Erwärmung des thermolumineszenten Materials über dessen Glimmtemperatur von diesem abgegebenes Licht nach aussen gelangen kann.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sollen anschliessend anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert werden, wobei darstellen:
Fig. 1 ein Dosimeter, wobei das thermolumineszente Material innerhalb einer Hülle als Schicht auf einem elektrischen Glühfaden angeordnet ist,
Fig. 2 den beschichteten Faden des Dosimeters der Fig. 1 in grösserem Massstab,
Fig. 3 ein Dosimeter, ähnlich dem Dosimeter der Fig. 1, mit einem lichtreflektierenden Überzug an der Aussenhülle,
Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Dosimeters, wobei das thermolumineszente Material auf einem zylindrischen Element angeordnet ist und mittels eines Heizfadens innerhalb dieses zylindrischen Elementes erhitzt werden kann,
Fig. 5 einen Teil des Dosimeters Fig. 4, in grösserem Massstab,
Fig.
6 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Dosimeters, wobei sich das thermolumineszente Material auf einer Platte befindet, welche einen Widerstandserhitzer darstellt,
Fig. 7 ein Dosimeter, bei welchem das thermolumineszente Material auf einem zylindrischen Körper angeordnet ist, welcher als NN'iderstandserhitzer dient und an eine geeignete Stromquelle zur Erwärmung angeschlossen werden kann,
Fig. 8 ein Dosimeter mit einer metallischen Hülle, die ein transparentes Fenster aufweist, wobei das thermolumineszente Material auf einer Platte angeordnet ist, die elektrisch erwärmt werden kann,
Fig. 9 einen Schnitt durch die Platte und das sensitive Material des Dosimeters der Fig. 8, in grösserem Massstab,
Fig. 10 einen Schnitt durch eine Platte in gleicher Ansicht wie Fig.
9, wobei die Grundplatte aus keramischem Material besteht, die mit einer elektrisch leitenden Schicht überzogen ist, auf welcher sich das thermolumineszente Material befindet,
Fig. 11 ein Dosimeter, welches induktiv erwärmt werden kann, und
Fig. 12 einen Querschnitt durch ein weiteres Dosimeter zur induktiven Erwärmung, wobei die Hülle zylindrisch ausgebildet ist.
In den Fig. 1-3 ist ein Dosimeter gezeigt, welches wie eine gewöhnliche Glühlampe mit Kolben ausgebildet ist, wobei jedoch auf dem gewundenen Glühfaden 2 eine thermolumineszente Schicht 1 aufgebracht ist. Eine Aussenhülle bzw. ein Kolben 3 aus transparentem Glas ist mit der Metallhülse eines Sockels 4 abdichtend verbunden und evakuiert. Der Sockel 4 weist elektrische Kontakte auf, die, wie gezeigt, als Metallstifte ausgebildet sind, die mit einer geeigneten Stromquelle geringer Spannung, z. B. 6 Volt, verbunden werden können.
Ein lichtreflektierender Überzug kann an der Innen- oder Aussenseite der Glashülle 3 vorgesehen sein, wie dies in der Glühlampenindustrie üblich ist.
Fig. 3 zeigt ein Dosimeter ähnlich demjenigen der Fig. 1, wobei ein üblicher, aus Aluminium bestehender Reflexionsüberzug an dem konischen Teil der Aussenfläche der Hülle vorgesehen ist, wie dies bei 5 gezeigt ist, wobei jedoch der Oberteil der Hülle bzw. des Kolbens transparent bleibt.
Das Dosimeter der Fig. 5 ist ähnlich aufgebaut wie dasjenige der Fig. 1, mit Ausnahme der Ausbildung und Anordnung der Unterlage für die thermolumineszente Schicht und die Mittel zu deren Erwärmung. Es ist zu ersehen, dass die thermolumineszente Schicht 1 auf einem Rohr 6 aufgebracht ist, welches z. B. aus Kupfer, Nickel, Aluminium oder sehr dünnem Glas besteht. Durch das Rohrstück erstreckt sich in einem gewissen Abstand ein gewendelter Heizbzw. Glühdraht. An den Enden des Rohrstückes sind Scheiben 26 aus keramischem Material oder aus anderem elektrisch isolierendem Material vorgesehen, wobei diese Scheiben zur Durchführung des Glühfadens Öffnungen aufweisen und durch die Enden des Rohrstückes eingesetzt sind. Sie dienen dazu, das Rohrstück abzuschliessen, so dass kein von dem Faden ausgehendes Licht nach aussen dringen kann.
Das Rohrstück 6 wird von zwei Drähten 7 gehalten, die mit diesem fest verbunden sind und sich durch die gasdichte Abdichtung der Glashülle 3 erstrecken. Die Drähte sind z. B. durch eine harte Kunststoffmasse mit dem Sockel 4 verbunden. Es kann dabei das gleiche Material verwendet werden, welches auch in der elektrischen Glühlampenindustrie zum Einbetten der stromführenden Drähte und zur Befestigung des abgedichteten Gaskolbens in dem metallischen Lampensockel verwendet wird.
Fig. 6 zeigt ein Dosimeter, welches ähnlich ausgebildet ist, wie dasjenige der Fig. 1. Die Ausbildung und die Anordnung des Heizelementes sowie des thermolumineszenten Überzuges des Beispiels der Fig. 6 ist dabei jedoch den entsprechenden Elementen der erstbeschriebenen Ausführungsbeispiele vorzuziehen.
Es ist bei der Ausführungsform der Fig. 6 ein Widerstandserhitzungselement vorgesehen, welches eine Graphitplatte 8 aufweist, auf welcher ein Über- zug oder eine Schicht aus thermolumineszentem Material 1 aufgebracht ist. Die Graphitplatte wird durch zwei elektrisch leitende Drähte, mit denen sie fest verbunden ist, gehalten. Die Drähte dienen gleichzeitg zur Stromzufuhr.
Fig. 7 zeigt ein Dosimeter, bei welchem die Au ssenhülle zylindrisch ist. Das Heizelement 9 weist die Form einer Stange auf und besteht aus Graphit, wobei die Aussenfläche mit dem thermolumineszenten Material 1 beschichtet ist. Die Graphitstange enthält Elektroden 10 und 11, die in das Graphit eingebettet sind, wobei die Elektrode 11 koaxial zu der Graphitstange verläuft. Die Graphitstange kann hohl sein und geschlossene Enden aufweisen, wobei dann die Elektroden lediglich in diese Enden fest eingebettet sind.
Die Elektroden erstrecken sich durch die Graphitstange und sind mit der Glashülle durch eine vakuumdichte Abdichtung verbunden, so dass die Elektroden gleichzeitig als Träger für die Graphitstange dienen.
Das Dosimeter der Fig. 8-10 weist eine zusammengesetzte Hülle auf, wobei ein Teil durch einen Metallkörper 12 gebildet wird, der z. B. aus Aluminium bestehen kann, und der andere Teil durch ein Glasfenster 13, welches, wie bei 14 gezeigt, gasdicht auf dem Metallkörper befestigt ist. Die Abdichtung des Glasfensters in dem Metallteil der Hülle kann dadurch hergestellt werden, dass das Glas mit dem Metall durch einen Kunstharzklebstoff verbunden wird. Die Mittel zur Erwärmung sind als Platte ausgebildet, wobei der thermolumineszente Überzug 1 auf einer Graphitplatte 8 angeordnet ist, wie dies in Fig. 9 gezeigt ist, oder auf einer Keramikplatte oder einer Glasplatte, wie dies in Fig. 10 gezeigt ist.
Wenn eine Graphitplatte 8 verwendet wird, befindet sich der Überzug direkt auf dieser. Bei der Verwendung einer Keramikplatte 15 wird auf diese Platte zunächst ein elektrisch leitender Film 16, z. B. aus Silber, Platin oder Zinnoxyd aufgebracht, auf welchem dann die Thermolumineszenzschicht angeordnet wird. Der leitende Film erstreckt sich bis an die Unterfläche der Keramik- bzw. Glasplatte, und zwar so weit, dass dieser in Kontakt mit den Elektroden 17 und 18 gelangen kann. Der elektrisch leitende Über- zug kann auch an der Unterfläche der Glas- bzw.
Keramikplatte angeordnet werden, was jedoch zur Folge hat, dass sich der Wärmeübergang zu der Thermolumineszenzschicht verzögert. Die Elektroden 17 und 18 sind mit der Platte 8 bzw. 15 derart verbunden, dass sie auch gleichzeitig als Träger für die Platte in der Hülle dienen. Die Elektroden sind weiterhin durch die Metallhülle elektrisch leitend und vakuumdicht geführt. Die Elektrode 18 ist hohl und mit einer Öffnung 19 versehen, durch welche das Innere dieser Elektrode mit dem Innenraum der Hülle kommuniziert, so dass die Hülle auf diesem Weg evakuiert werden kann. Nach der Evakuierung wird die Elektrode zur Aufrechterhaltung des Vakuums abgeklemmt und mit einer Abdichtung 20, z. B. einem Lottropfen, verschlossen.
Die bisher beschriebenen Dosimeter sind so ausgebildet, dass ein direkter Kontakt zwischen dem elek- trischen Widerstandselement und der Stromquelle besteht. Daneben besteht aber auch die Möglichkeit, eine Erwärmung auf induktivem Wege zu erzeugen.
Fig. 11 zeigt ein Dosimeter, bei welchem die Erwärmung induktiv durch eine Spule erfolgt, die durch eine Hochfrequenzspannung erregt wird. Das Dosimeter enthält eine zylindrische, transparente Glashülle 21, die evakuiert ist und ein zylindrisches Heizelement aufweist, welches, wie gezeigt, als Graphitstange 22 ausgebildet ist. Auf der Graphitstange ist der thermolumineszente Überzug 1 aufgebracht. Die Graphitstange wird in der Hülle durch einen Metallstift 23 gehalten, der einerseits mit dieser Stange verbunden ist und sich axial durch diese erstreckt und anderseits mit der Hülle vakuumdicht verbunden ist.
Das zylindrische Heizelement 22 kann jedoch auch als dünner Metallzylinder ausgebildet und in gleicher oder ähnlicher Weise mit der Hülle verbunden sein.
Fig. 12 zeigt ein Dosimeter, welches ebenfalls induktiv erwärmt werden kann. Eine evakuierte, transparente Glashülle 24 von zylindrischer Form umgibt ein als Platte ausgebildetes Widerstandselement 8, welches einen thermolumineszenten Überzug 1 aufweist. Die Platte kann gleich ausgebildet sein, wie dies anhand der Fig. 6, 8 und 9 erläutert worden ist.
Die gezeigte Platte 8 besteht aus Graphit. Es kann jedoch in gleicher Weise eine Metallplatte, z. B. eine Platte aus Kupfer oder Nickel, verwendet werden.
Die Platte 8 ist in der Hülle mit Metallstiften 25 gehalten, die einerseits mit dieser Platte fest verbunden und anderseits mit z. B. dem Boden der Glashülle vakuumdicht verbunden sind. Die Hülle 24 kann dadurch hergestellt werden, dass Glasscheiben an den Enden eines Glasrohres eingeschmolzen werden, nachdem die Platte 8 mittels der Stifte 25 an einer der Scheiben befestigt worden ist. Durch ein kleines Rohr in der Wand der Hülle (nicht gezeigt) kann die Hülle evakuiert oder mit einem inerten Gas gefüllt werden.
Im Bedarfsfalle kann die thermolumineszente Schicht auch auf die Innenfläche der Hülle aufge bracht werden. Daneben können auch äussere Mittel zur Erwärmung des Dosimeters vorgesehen sein, wenngleich dies nicht die besten Resultate erbringt.
Die Stärke des thermolumineszenten Überzuges bei den gezeigten Dosimetern ist vorzugsweise gleich der Stärke phosphoreszierender Schichten bei Kathodenstrahlröhren oder Fernsehröhren, d. h. mit einer Stärke von 2-100 mg/cm2. Der Überzug kann auf die Oberfläche des Drahtes oder auf die Körper aus Graphit, Glas oder Keramik durch irgendwelche bekannte Verfahren zur Herstellung eines phosphoreszierenden Überzuges auf einer Unterlage aufgebracht werden; hierbei wird das thermolumineszente Material als Puder mit einem Bindemittel gemischt, so dass eine Paste entsteht, die auf die Unterlage aufgebracht wird. Anschliessend wird die Schicht bei einer Temperatur von etwa 2009 C gebrannt, damit diese erhärtet und das thermolumineszente Material an der Oberfläche des Trägerkörpers haftet.
Ein Bindemittel, welches zur Herstellung des Überzuges geeignet ist, ist z. B. eine wässrige Lösung von Kaliumsilikat. Weiterhin kann auch ein Silikonzement zur Herstellung des Überzuges verwendet werden, wie er z. B. unter der Markenbezeichnung DC 805 im Handel erhältlich ist.
Thermolumineszentes Material, welches als strahlungsempfindliches Element bzw. Schicht 1 in den gezeigten Dosimetern verwendet werden kann, muss Energie bei normalen Temperaturen, d. h. in dem Temperaturbereich zwischen 20 und 1000 C speichern können. Diese Materialien sind dann auf Grund ihrer speziellen Eigenschaften auch in der Lage, Energie bei geringeren Temperaturen zu speichern. Die Energiespeicherung soll dabei von einer halben Stunde bis zu 30 Tagen andauern. Materialien mit einer geringen Energiespeicherdauer innerhalb des oben angegebenen Bereiches, aber mit einer sehr hellen Lumineszenz können für Spezialanwendungen sehr nützlich sein. Vorzugsweise wird als strahlungsempfindliches Material mit Magnesium aktiviertes Kalziumfluorid verwendet, CaF2 : Mn (dieses Material ist beschrieben in NRL Progress Report,- September 1956; J. Electrochem. Soc. 104, 365 [1957]).
Dieses Fluoreszenzmaterial ist durch eine Glimmspitzentemperatur von etwa 2500 C charakterisiert, welche Eigenschaft vermutlich auf die Anwesenheit von kleinen Mengen als Oxyd vorliegenden Sauerstoffes in dem Kristallgitter des Kalziumfluorids zurückzuführen ist. Das Material besitzt eine hinreichende Empfindlichkeit für kleine Dosen und besitzt tiefe, stabile Elektronenfallen. Dieses Material konnte bisher bei der thermolumineszenten Dosimetrie deswegen nicht verwendet werden, weil es eine Spurenlumineszenz zeigte, und deswegen zur zuverlässigen Messung von ionisierenden Strahlen in dem Dosisbereich von Milliröntgen nicht verwendet werden konnte.
Ein anderes, aber weniger günstiges Lumineszenzmaterial als strahlungsempfindliches Material in Dosimetern ist Kalziumsulfat mit einem kleinen Anteil an Mangan als Lumineszenzaktivator (CaSO : Mn).
Es hat sich nun herausgestellt, dass die Spuren- lumineszenz völlig unterdrückt werden kann, wenn das thermolumineszente Material sich in einem abgeschlossenen Gehäuse befindet und die Atmosphäre in dem Gehäuse inert ist, d. h. praktisch oder wenigstens nahezu frei von Gasen ist, die bei Erwärmung unter Kontakt mit der Hülle oder anderen Materialien innerhalb dieser Hülle Licht emittieren, und welche bezüglich des Hüllenmaterials und der anderen Stoffe in dieser Hülle chemisch aktiv sind. Durch die beschriebene Massnahme wird eine Empfindlichkeitsschwelle bei der praktischen Strahlenmessung erreicht, welche es bisher unter Verwendung von thermolumineszenten Materialien als strahlungsempfindliches Element nicht zu erzielen war.
Eine Umgebung, die die Spurenlumineszenz völlig unterdrückt, ist ein Hochvakuum mit einem Druck von 10-3 bis 10-5 mm Hg oder weniger. Hierfür müssen die Hüllen evakuiert werden, wie dies oben bereits beschrieben wurde. Weiterhin kann Argon als inerte Atmosphäre in den Hüllen der Dosimeter verwendet werden. Die Atmosphäre in der abgedichteten Hülle der Dosimeter soll weiterhin eine geringe thermische Leitfähigkeit aufweisen, wenn das thermolumineszente Material auf dem Heizelement angeordnet ist, so dass eine sehr schnelle Erwärmung des therinolumineszenten Materials bei geringen Stromstärken erreicht werden kann; diese Bedingung ist bei Hochvakuum oder einer Argonfüllung erfüllt.
Gase, die die Spurenlumineszenz in den Hüllen erhöhen, sind beispielsweise Sauerstoff, Stickstoff und Kohlendioxyd, d. h. die Bestandteile der Luft, welcher die thermolumineszenten Schichten der Dosimeter bisheriger Konstruktionen ausgesetzt waren.
Die gezeigten Dosimeter können so empfindlich ausgebildet werden, dass sie den biologischen Bereich umfassen, wobei sich dieser Bereich von der Grössenordnung von Milliröntgen bis zu 102 und 103 Röntgen erstreckt. Wenn als sensitives Material mit Mangan aktiviertes Kalziumfluorid verwendet wird, können Dosimeter der beschriebenen Art hergestellt werden, die von einigen Milliröntgen bis mindestens 105 Röntgen bei einer Kobalt-60-Gammastrahlung linear ansprechen, wobei das Ergebnis unabhängig von der Dosis pro Zeiteinheit in einem Bereich von 10 mr/min bis mindestens 7000 mr/min ist.
Die Energieabhängigkeit der Dosimeter kann durch eine äussere Abschirmung herabgesetzt oder kompensiert werden. Als Abschirmung wird vorzugsweise ein perforierter Schirm verwendet, wie er in der US-Patentschrift Nr. 2 752 505 beschrieben ist, wobei dieser Schirm jedoch anstelle von Blei aus Zinn bestehen soll. Auf diesem Wege können Dosimeter hergestellt werden, die von der Energie in dem Bereich zwischen 40 KeV und 1,2 MeV praktisch unabhängig sind.
Die beschriebenen Dosimeter arbeiten auf Grund der Tatsache, dass thermolumineszentes Material Energie in der Form von eingefangenen Elektronen speichert, wenn es einer ionisierenden Strahlung, wie beispielsweise Gammastrahlung oder Röntgenstrahlung, ausgesetzt wird. Wird das bestrahlte thermolumineszente Material erwärmt, werden die gespeicherten Elektronen freigegeben und erzeugen ein lumineszierendes Glimmen. Da die Zahl der eingefangenen Elektronen proportional zu der Intensität der ionisierenden Strahlung ist, kann die Intensität des Lumineszenzglimmens zur Bestimmung der Strahlendosis verwendet werden. Das Lumineszenzglimmen wird durch eine photosensitive Einrichtung, wie beispielsweise eine Sekundärelektronenvervielfachröhre, aufgenommen und die Glimmspitze festgestellt.
Zum Messen der Strahlungsdosis kann entweder die Höhe der Glimmspitze oder der Bereich unterhalb dieser Glimmspitze verwendet werden.
Bei der Verwendung der Dosimeter werden diese zuerst durch Erwärmung des thermolumineszenten Materials konditioniert, und zwar bis zu einem Punkt, der hinreichend weit über der Glimmspitze liegt, so dass alle Elektronen freigegeben werden. Dies wird entweder dadurch erreicht, dass die Dosimeter mit einer geeigneten Stromquelle verbunden werden, und zwar bei den Dosimetern gemäss den Fig. 1-10, oder dadurch, dass die Dosimeter in das Feld einer Hochfrequenzinduktionsspule gebracht werden, wenn die Dosimeter wie diejenigen der Fig. 11 und 12 auf induktivem Wege erwärmt werden müssen. Die Dosimeter können nun in den Strahlungsbereich gebracht werden. Zum Ablesen der Dosis, die sich in dem thermolumineszenten Material akkumuliert hat, werden die Dosimeter neuerdings erwärmt und das Lumineszenzglimmen wie oben angegeben gemessen.
Nach der Erwärmung und dem Ablesen ist das Dosimeter wieder in einem entladenen Zustand und kann erneut verwendet werden. Für die Erwärmung sind etwa 15-30 sec erforderlich, wenn die Spannung bzw.
Energie gesteuert wird, die den elektrischen Heizmitteln in der Hülle zugeführt wird.
Radiation dosimeter
The present invention relates to a radiation dosimeter, i. H. means for measuring the dose of rays, e.g. Gamma rays or x-rays, using thermoluminescent materials.
Thermoluminescent materials have the property, when they hit ionizing radiation, such. B. gamma rays to store energy through electron capture. At a later time, the electrons, e.g. B. when the material is heated, released again, with luminescence phenomena occur. The number of trapped electrons is proportional to the intensity of the ionizing radiation, so that the light that is emitted during the subsequent heating can be used as a measure of the radiation dose.
It has previously been proposed to use thermoluminescent materials in dosimetry, e.g. B. in the warning dosimeters to check the dose, which z. B. exposed personnel working under the action of gamma rays to use.
However, the thermoluminescent materials have only been used sporadically for this purpose because of their considerable practical disadvantages. In the previous designs of dosimeters of the type mentioned, a thin layer of thermoluminescent material was attached to a carrier plate. The dosimeter exposed to the radiation was placed in a hot oven to generate the luminescent glow and heated here above the glowing peak temperature of the thermoluminescent material.
In other constructions, the thermoluminescent material is located in powder form in the openings of a wire mesh or wire mesh, which is electrically heated after exposure to generate the luminescent glow.
Finally, a construction has also become known in which the thermoluminescent material is attached to a small metal plate by means of a binding material, the arrangement being made to glow after exposure by the fact that the plate is heated due to its electrical resistance by an electric current passing through it becomes.
A major disadvantage of smoldering the exposed dosimeter in an oven is that the oven has to be kept continuously at a comparatively high temperature. Another disadvantage is that the dosimeter warms up to the required smoldering temperature comparatively slowly.
However, rapid heating should be aimed for so that a bright glow occurs, which makes it easier to determine the dose. The heating rate can of course be increased by keeping the furnace at temperatures much higher than is actually necessary; however, this increases the above-mentioned disadvantages.
Another disadvantage of heating the dosimeters in an oven is that means must be provided within the oven to collect the luminescent light that occurs and to make it visible or to measure it.
With dosimeters in which thermoluminescent powder is arranged in the openings of a metal fabric, it is extremely difficult to determine the actual radiation exposure of the powder.
Furthermore, these arrangements are very sensitive to mechanical shocks, shocks and vibrations. The dosimeter designs in which the radiation-sensitive material is attached to a metal plate have the same disadvantages as the dosimeters in which a wire mesh is provided as the carrier element. As a further disadvantage, dosimeters of this type do not have a protective cover; H. are exposed to air and are therefore easily polluted, apart from being easily mechanically destroyed during wear and reading.
It is now the purpose of the present invention to provide a dosimeter using thermolumenscent material for determining the dose of ionizing rays, e.g. B. gamma and X-rays, which dosimeter can also be carried as a protective dosimeter in the pocket and in which the thermoluminescent material is not susceptible to external influences during operation and preferably to mechanical shocks and vibrations.
It is a further purpose of the present invention to provide a dosimeter of the type mentioned, which is low-cost and can be mass-produced, preferably using the machinery that is used today for the production of electric lamps and tubes.
The radiation dosimeter according to the present invention is characterized by a hermetically sealed shell with an inert atmosphere, the shell containing a thermoluminescent material which can store radiation energy at temperatures between 20 and 100 "C, and the shell is at least partially transparent, so that when the thermoluminescent material is heated above its glowing temperature, the light emitted by it can reach the outside.
Embodiments of the present invention will then be explained in more detail with reference to the accompanying drawings, in which:
1 shows a dosimeter, the thermoluminescent material being arranged within a sheath as a layer on an electrical filament,
FIG. 2 shows the coated thread of the dosimeter of FIG. 1 on a larger scale,
3 shows a dosimeter, similar to the dosimeter of FIG. 1, with a light-reflecting coating on the outer shell,
4 shows a further exemplary embodiment of a dosimeter, the thermoluminescent material being arranged on a cylindrical element and being able to be heated within this cylindrical element by means of a heating filament,
Fig. 5 shows a part of the dosimeter Fig. 4, on a larger scale,
Fig.
6 shows another exemplary embodiment of a dosimeter, the thermoluminescent material being on a plate which represents a resistance heater,
7 shows a dosimeter in which the thermoluminescent material is arranged on a cylindrical body which serves as a resistance heater and can be connected to a suitable power source for heating,
8 shows a dosimeter with a metallic shell which has a transparent window, the thermoluminescent material being arranged on a plate which can be electrically heated,
9 shows a section through the plate and the sensitive material of the dosimeter of FIG. 8, on a larger scale,
10 shows a section through a plate in the same view as FIG.
9, wherein the base plate consists of ceramic material which is coated with an electrically conductive layer on which the thermoluminescent material is located,
11 shows a dosimeter which can be inductively heated, and
12 shows a cross section through a further dosimeter for inductive heating, the casing being of cylindrical design.
1-3 show a dosimeter which is designed like a conventional incandescent lamp with a bulb, but with a thermoluminescent layer 1 applied to the coiled filament 2. An outer shell or a piston 3 made of transparent glass is sealingly connected to the metal sleeve of a base 4 and evacuated. The base 4 has electrical contacts which, as shown, are designed as metal pins which are connected to a suitable low voltage power source, e.g. B. 6 volts, can be connected.
A light-reflecting coating can be provided on the inside or outside of the glass envelope 3, as is customary in the incandescent lamp industry.
FIG. 3 shows a dosimeter similar to that of FIG. 1, a conventional reflective coating made of aluminum being provided on the conical part of the outer surface of the casing, as shown at 5, but the upper part of the casing or the piston being transparent remains.
The dosimeter of FIG. 5 is constructed similarly to that of FIG. 1, with the exception of the design and arrangement of the support for the thermoluminescent layer and the means for heating it. It can be seen that the thermoluminescent layer 1 is applied to a tube 6 which, for. B. made of copper, nickel, aluminum or very thin glass. A coiled Heizbzw extends at a certain distance through the pipe section. Filament. At the ends of the pipe section, disks 26 made of ceramic material or of other electrically insulating material are provided, these disks having openings for the passage of the filament and being inserted through the ends of the pipe section. They serve to close off the pipe section so that no light emanating from the thread can penetrate to the outside.
The pipe section 6 is held by two wires 7, which are firmly connected to it and extend through the gas-tight seal of the glass envelope 3. The wires are z. B. connected to the base 4 by a hard plastic compound. The same material can be used here which is also used in the electric incandescent lamp industry for embedding the current-carrying wires and for fastening the sealed gas bulb in the metallic lamp base.
FIG. 6 shows a dosimeter which is designed similarly to that of FIG. 1. The design and arrangement of the heating element and the thermoluminescent coating of the example of FIG. 6 is, however, to be preferred to the corresponding elements of the exemplary embodiments described first.
In the embodiment of FIG. 6, a resistance heating element is provided which has a graphite plate 8 on which a coating or a layer of thermoluminescent material 1 is applied. The graphite plate is held in place by two electrically conductive wires with which it is firmly connected. The wires are also used to supply power.
Fig. 7 shows a dosimeter in which the outer shell is cylindrical. The heating element 9 has the shape of a rod and consists of graphite, the outer surface being coated with the thermoluminescent material 1. The graphite rod contains electrodes 10 and 11 which are embedded in the graphite, the electrode 11 being coaxial with the graphite rod. The graphite rod can be hollow and have closed ends, in which case the electrodes are only firmly embedded in these ends.
The electrodes extend through the graphite rod and are connected to the glass envelope by a vacuum-tight seal, so that the electrodes also serve as a carrier for the graphite rod.
The dosimeter of Figs. 8-10 comprises a composite sheath, one part being formed by a metal body 12, e.g. B. can consist of aluminum, and the other part through a glass window 13 which, as shown at 14, is attached to the metal body in a gas-tight manner. The sealing of the glass window in the metal part of the envelope can be produced in that the glass is connected to the metal by a synthetic resin adhesive. The means for heating are designed as a plate, with the thermoluminescent coating 1 being arranged on a graphite plate 8, as shown in FIG. 9, or on a ceramic plate or a glass plate, as shown in FIG.
If a graphite plate 8 is used, the coating is directly on this. When using a ceramic plate 15, an electrically conductive film 16, z. B. applied from silver, platinum or tin oxide, on which the thermoluminescent layer is then arranged. The conductive film extends to the lower surface of the ceramic or glass plate, to be precise so far that it can come into contact with the electrodes 17 and 18. The electrically conductive coating can also be applied to the lower surface of the glass or
Ceramic plate are arranged, which, however, has the consequence that the heat transfer to the thermoluminescent layer is delayed. The electrodes 17 and 18 are connected to the plate 8 and 15, respectively, in such a way that they also serve as a carrier for the plate in the casing at the same time. The electrodes continue to be electrically conductive and vacuum-tight through the metal shell. The electrode 18 is hollow and is provided with an opening 19 through which the interior of this electrode communicates with the interior of the casing, so that the casing can be evacuated in this way. After evacuation, the electrode is clamped to maintain the vacuum and sealed with a seal 20, e.g. B. a drop of solder, closed.
The dosimeters described so far are designed such that there is direct contact between the electrical resistance element and the power source. In addition, there is also the possibility of generating heating inductively.
11 shows a dosimeter in which the heating takes place inductively by means of a coil which is excited by a high-frequency voltage. The dosimeter contains a cylindrical, transparent glass envelope 21 which is evacuated and has a cylindrical heating element which, as shown, is designed as a graphite rod 22. The thermoluminescent coating 1 is applied to the graphite rod. The graphite rod is held in the sheath by a metal pin 23, which is connected on the one hand to this rod and extends axially through it and on the other hand is connected to the sheath in a vacuum-tight manner.
The cylindrical heating element 22 can, however, also be designed as a thin metal cylinder and connected to the casing in the same or a similar manner.
12 shows a dosimeter which can also be inductively heated. An evacuated, transparent glass envelope 24 of cylindrical shape surrounds a resistance element 8 which is designed as a plate and has a thermoluminescent coating 1. The plate can be designed in the same way, as has been explained with reference to FIGS. 6, 8 and 9.
The plate 8 shown consists of graphite. However, a metal plate, e.g. B. a plate made of copper or nickel can be used.
The plate 8 is held in the shell with metal pins 25, which are firmly connected on the one hand to this plate and on the other hand with z. B. are connected vacuum-tight to the bottom of the glass envelope. The envelope 24 can be produced in that glass panes are melted at the ends of a glass tube after the plate 8 has been attached to one of the panes by means of the pins 25. The envelope can be evacuated or filled with an inert gas through a small tube in the wall of the envelope (not shown).
If necessary, the thermoluminescent layer can also be applied to the inner surface of the envelope. In addition, external means for heating the dosimeter can also be provided, although this does not produce the best results.
The thickness of the thermoluminescent coating in the dosimeters shown is preferably equal to the thickness of phosphorescent layers in cathode ray tubes or television tubes, i.e. H. with a strength of 2-100 mg / cm2. The coating can be applied to the surface of the wire or to the bodies of graphite, glass or ceramic by any known method for producing a phosphorescent coating on a support; Here, the thermoluminescent material is mixed as a powder with a binding agent, so that a paste is created that is applied to the base. The layer is then fired at a temperature of around 2009 C so that it hardens and the thermoluminescent material adheres to the surface of the carrier body.
A binder which is suitable for producing the coating is, for. B. an aqueous solution of potassium silicate. Furthermore, a silicone cement can also be used to produce the coating, as it is, for. B. under the brand name DC 805 is commercially available.
Thermoluminescent material, which can be used as the radiation-sensitive element or layer 1 in the dosimeters shown, must have energy at normal temperatures, i. H. can store in the temperature range between 20 and 1000 C. Due to their special properties, these materials are then able to store energy at lower temperatures. The energy storage should last from half an hour to 30 days. Materials with a short energy storage time within the range given above but with a very bright luminescence can be very useful for special applications. Calcium fluoride activated with magnesium is preferably used as the radiation-sensitive material, CaF2: Mn (this material is described in NRL Progress Report, September 1956; J. Electrochem. Soc. 104, 365 [1957]).
This fluorescent material is characterized by a glowing peak temperature of about 2500 C, which property is presumably due to the presence of small amounts of oxygen present as oxide in the crystal lattice of calcium fluoride. The material is sufficiently sensitive to small doses and has deep, stable electron traps. This material could not previously be used in thermoluminescent dosimetry because it showed trace luminescence and therefore could not be used for the reliable measurement of ionizing radiation in the dose range of milli-x-rays.
Another, but less favorable, luminescent material as a radiation-sensitive material in dosimeters is calcium sulfate with a small amount of manganese as a luminescent activator (CaSO: Mn).
It has now been found that the trace luminescence can be completely suppressed if the thermoluminescent material is in a closed housing and the atmosphere in the housing is inert, ie. H. is practically or at least almost free of gases which, when heated, in contact with the shell or other materials within this shell, emit light and which are chemically active with respect to the shell material and the other substances in this shell. As a result of the measure described, a sensitivity threshold is achieved in practical radiation measurement, which it was previously not possible to achieve using thermoluminescent materials as the radiation-sensitive element.
One environment that completely suppresses trace luminescence is a high vacuum with a pressure of 10-3 to 10-5 mm Hg or less. For this purpose, the envelopes must be evacuated, as already described above. Furthermore, argon can be used as an inert atmosphere in the covers of the dosimeters. The atmosphere in the sealed casing of the dosimeter should furthermore have a low thermal conductivity when the thermoluminescent material is arranged on the heating element, so that very rapid heating of the therinoluminescent material can be achieved at low currents; this condition is met with a high vacuum or an argon filling.
Examples of gases that increase trace luminescence in the envelopes are oxygen, nitrogen and carbon dioxide; H. the constituents of the air to which the thermoluminescent layers of the dosimeters of previous designs were exposed.
The dosimeters shown can be made so sensitive that they encompass the biological area, this area extending from the order of magnitude of milli-x-rays up to 102 and 103 x-rays. If calcium fluoride activated with manganese is used as the sensitive material, dosimeters of the type described can be produced which respond linearly from a few milli-x-rays to at least 105 x-rays with cobalt-60 gamma radiation, the result being independent of the dose per unit of time in a range of 10 mr / min to at least 7000 mr / min.
The energy dependency of the dosimeters can be reduced or compensated for by an external shield. A perforated screen such as that described in US Pat. No. 2,752,505 is preferably used as the screen, but this screen is said to be made of tin instead of lead. In this way, dosimeters can be produced which are practically independent of the energy in the range between 40 KeV and 1.2 MeV.
The dosimeters described operate due to the fact that thermoluminescent material stores energy in the form of trapped electrons when exposed to ionizing radiation such as gamma rays or x-rays. If the irradiated thermoluminescent material is heated, the stored electrons are released and produce a luminescent glow. Since the number of trapped electrons is proportional to the intensity of the ionizing radiation, the intensity of the luminescent glow can be used to determine the radiation dose. The luminescent glow is picked up by a photosensitive device such as a secondary electron multiplier tube, and the glow tip is detected.
Either the height of the glow tip or the area below this glow tip can be used to measure the radiation dose.
When the dosimeters are used, they are first conditioned by heating the thermoluminescent material to a point that is sufficiently far above the glowing tip so that all electrons are released. This is achieved either by connecting the dosimeters to a suitable power source, in the case of the dosimeters according to FIGS. 1-10, or by bringing the dosimeters into the field of a high-frequency induction coil when the dosimeters are like those of FIGS 11 and 12 must be heated inductively. The dosimeters can now be brought into the radiation area. To read the dose that has accumulated in the thermoluminescent material, the dosimeters are recently heated and the luminescent glow is measured as indicated above.
After heating and reading, the dosimeter is again in a discharged state and can be used again. The heating takes about 15-30 seconds when the voltage resp.
Energy is controlled which is supplied to the electrical heating means in the envelope.